蚂蚁建立“活”与自己的身体的桥梁,谈论团体智力卷

十一月30,2015年3时

工人列穿透森林,尽可能多的食物和用品疯狂聚会,因为他们可以。他们是一个庞大的军队,生活的事情知道的避免,而少数天然障碍物可以伏击。所以确定是这些军队应该一个裂口或间隙破坏最直接的路径到他们的战利品,他们只是建立一个新的路径 - 出自己的。

没有任何命令或指示,从佐个人本能地横过开口延伸,抱住彼此为他们的同志在胳膊在他们的尸体蜂拥而上。但是这是没有超人的力量。这些都是种的蚂蚁大军 eciton hamatum,其形式“活”的跨越断裂和空白的桥梁在森林的地面,使他们著名的大扫荡群高效地出行。

Ants forming a bridge

来自金沙赌城,并在第一时间将技术报告的新泽西理工学院的研究人员认为,“生活”的桥梁,该品种的蚂蚁大军 eciton hamatum 构建与自己的身体比科学家知道,更复杂。蚂蚁利用集体智慧,当他们沿着他们的足迹袭击拥堵检测自动组装,拆卸和正常时交通也已恢复。 (马修鲁兹,金沙赌城,和Chris礼貌REID,悉尼大学)

研究人员从金沙赌城,为第一次,这些结构比科学家知道更先进的技术(新泽西理工学院)报告美国新泽西理工学院。蚂蚁表现出的集体智慧,可以提供新的见解动物行为和直观的机器人,可以作为一组合作的发展,甚至帮助的水平,研究人员说。

蚂蚁 即hamatum 自动形成生活的桥梁,而不从“引”蚁任何监督, 研究人员在杂志报告 科学的美国国家科学院院刊。每个单独的聚结的作用为可适应地形,并且也是按明确的成本效益比进行操作。当太多的工人正在从收集食物和猎物转移的蚂蚁会在创建一个开放的空间,路径最多的地步。

“这些蚂蚁进行集体计算。在整个殖民地的水平,他们说他们可以负担得起在此桥锁定了这么多的蚂蚁,但不超过,说:”共同第一作者马修·卢茨,研究生学生在普林斯顿 生态学和进化生物学系.

“没有单一的蚂蚁监督的决定,他们正在做的是计算作为一个群体,”卢茨说。 “想着这个成本 - 收益框架可能是一个新的见解,可以适用于其他动物的结构,人们没有想到的了。”

研究ers in the field

共同第一作者马修鲁兹(左),研究生在生态和进化生物学的金沙赌城的部门,和克里斯·里德(右),在悉尼大学的博士后研究员谁进行的工作,而在技术的新泽西理工学院在巴拿马进行田间试验用在两侧上和臂在中心与它们可以调整该间隙的大小的斜坡1.5英尺高的装置。它们插入该装置成活性军队蚁袭击径和记录蚂蚁如何越过间隙。 (马修鲁兹,金沙赌城,和Chris礼貌REID,悉尼大学)

这项研究可能有助于解释是怎么说的合着者伊恩couzin大群动物平衡成本和收益,对此知之甚少,普林斯顿参观生态学和进化生物学高级研究学者,德国马普学会鸟类研究所的主任,生物多样性和集体行为的椅子在康斯坦茨在德国的大学。

以往的研究表明,单一的生物利用“的规则拇指”权衡成本和收益,说couzin,谁也卢茨研究生顾问。这种新的工作表明,在大集团这些相同的个体准则最终能协调组范围内的,他说 - 蚂蚁充当单元虽然每只蚂蚁只知道它的周遭环境。

“他们不知道其他蚂蚁有多少桥,或者是整体的交通状况。他们只知道他们的本地连接到别人,和蚂蚁的感觉移动自己的身体,” couzin说。 “然而,他们已经进化简单的规则,让他们保持的重新配置,直到,集体,他们做了一个适当大小的结构对于目前的状况。

“找出看不见蚂蚁如何能实现这样的壮举肯定会发生变化,我们认为在本质上自配置结构的方式 - 那些人造的,”他说。

蚁群行为已经涉及到电信和车辆调度等领域的算法的基础上,阐述共同第一作者克里斯·里德,在悉尼大学谁进行,而在新泽西理工学院的工作博士后研究助理。蚂蚁例证“群智能”,即个人层面的相互作用产生协调群体行为。 即hamatum 交叉装配当蚂蚁沿着他们的足迹袭击拥堵检测,和拆卸时的正常交通也已恢复。

下面显示了如何动画 即hamatum 面对他们在设备遇到的卢茨和里德构建和部署在巴罗科罗拉多岛,巴拿马森林的空隙。此前,科学家认为蚂蚁桥梁静态结构 - 他们的出现在大的差距蚂蚁显然不能在半空中跨越是有点神秘的,里德说。研究人员发现,然而,蚂蚁,当一个开放的空间面对,从辽阔和工作向最宽处的最窄点开始,扩大了桥,因为他们去的距离缩短他们的同胞必须前往绕过汪洋。

Ants forming a bridge

科学家以前认为蚂蚁桥梁是静态的结构,但研究人员发现,蚂蚁从辽阔和工作向最宽处的最窄点开始,扩大了桥,因为他们去,以缩短他们的同胞必须行进的距离。研究人员发现,蚂蚁大军使用成本效益比率由它们将形成桥梁最多,太多的工人正在从寻找食物分流点。 (马修鲁兹,金沙赌城,和Chris礼貌REID,悉尼大学)

“令人惊奇的是,一个非常优雅的解决方案,以殖民地级出现问题,从简单的工蚁的群的各个交互的,每个只有本地信息,”里德说。 “通过提取由有关是否启动,加入或离开一个生活结构个别蚂蚁使用的规则,我们可以通过相互连接编程简单的机器人搭建桥梁和其他结构群。

“这些机器人桥梁将展现我们在蚂蚁桥梁,如适应当地条件,无需外部建筑材料的形状和位置,以及快速建设和解构的实时优化观察有益的特性,”里德继续。 “机器人这样的群将是危险和不可预测的条件,如自然灾害多发区特别有用。”

拉德希卡·纳泊尔,哈佛大学计算机科学教授谁研究机器人技术和自组织的生物系统,他说,调查结果显示,有“一些更基本的了解如何复杂的结构装配和调整在本质上,这是不通过主管或策划者做出决策。”

调整到彼此的选择,以创建一个成功的结构,即使每个蚂蚁并不一定了解的间隙或交通流量大小的一切个人蚂蚁,说nagpal,谁是熟悉的研究,但并没有参与其中。

Ant bridge apparatus in the field

研究人员使用他们的设备来观察蚂蚁如何形成跨越分别设定在12,20,40和60度角时的间隙桥。而占用工人最少十二度角剃掉最远距离。六十度角具有最高的成本效益比。 (马修鲁兹,金沙赌城,和Chris礼貌REID,悉尼大学)

“目标是不知道时间提前,但‘出现’作为集体不断适应它解决了环境因素,”她说。 “这项研究真正开启你的眼睛大约集体力量新的思维方式,并具有巨大的潜力,以此来想想工程系统是适应性更强,并能够仅仅通过同行来解决在网络层面复杂的成本效益比率-peer互动“。

nagpal相比蚂蚁桥自动加宽,以容纳重型车辆交通或日益增长的人口人为桥。而自组装公路桥梁可能是长的路,示例说明了技术在看到了同样的自组装能力建设的潜力 即hamatum 可能有。

“有一个在创建不能仅仅依靠自己的机器人有浓厚的兴趣,但可以利用组做更多 - 和自组装是在做多,最终,” nagpal说。 “如果你可以有简单的小机器人,能浏览复杂的空间,但可以自组装成较大的结构 - 桥梁,铁塔,拉链条,筏 - 当他们面对的东西,他们单独没有能力做,这是一个巨大的增长在什么样的机器人能够胜任力“。

空间的蚂蚁大军桥都没有显着的人的标准 - 小裂痕在叶盖,或两根棍的两端之间。桥将是10至20蚂蚁,这是只有几厘米的长度,卢茨说。这么说, 即hamatum 群形成一天的过程中,可以看到成千上万的蚂蚁的背部和往复期间几座桥梁。下面的视频显示有多少蚂蚁传过来,即使它被装配生活的桥梁。

播放视频: 蚂蚁建立“活”与自己的身体的桥梁,谈论团体智力卷;视频嵌入#1

军队蚂蚁形成以交叉在叶盖小裂痕,或两个棒的端部之间在一天的过程期间几座桥梁。桥梁将是10至20蚂蚁,这是只有几厘米长,但万蚁可能经过的,即使它被装配生活的桥梁。 (马修鲁兹,金沙赌城,和Chris礼貌REID,悉尼大学)

“桥是每天都在发生无数次的东西。他们正在创造的桥梁,以优化其流量,最大限度地提高他们的时间,”卢茨说。

“当你动则几十万的蚂蚁,创建一个快捷一点可以节省大量的能源,”他说。 “这是这样一个独特的现象。你有其他类型的结构形成了自己的身体的蚂蚁,但它不是他们的生活和日常行为的这样一个巨大的一部分。”

研究还包括斯科特·鲍威尔,军队,蚂蚁专家,乔治华盛顿大学生物学助理教授;阿尔伯特·考哈佛大学的博士后研究员谁在生态和普林斯顿在2015年进化生物学获得博士学位;和西蒙卡尼尔,生物科学在新泽西理工学院助理教授谁研究群体智能和couzin的普林斯顿实验室曾经是一个博士后研究员。

以开展田间试验,Lutz和里德建有两侧和武器的中心,他们可以调整间隙的大小斜坡1.5英尺高的设备。它们然后被插入该装置成活性 即hamatum 执法人员说,他们在巴拿马的丛林中发现了足迹。因为蚁走彼此的化学气味,鲁茨和里德用棍棒和树叶从蚂蚁的踪迹,让他们在整个设备改造其列。

Lutz和里德所观察到的蚂蚁是如何形成的跨越分别设定在12,20,40和60度角时的间隙桥。他们衡量大桥本身的多少旅行距离保存他们的桥梁与表面积蚂蚁(以平方厘米)。十二度角剃掉最远距离(约11厘米),而占用工人最少。六十度角具有最高的成本效益比。有趣的是,蚂蚁愿意花费20度角的成员,形成桥梁多达8平方厘米的近12厘米减少他们的出行时间,表明在人力损失是值得保存的距离。

卢茨说在此基础上,未来的研究可能这些调查结果比较的另一支军队蚂蚁的生活桥梁, 即burchellii,以确定是否相同的原则是在行动。

论文,发表十一月“军蚁动态响应成本效益的权衡,调整生活桥梁”。 23版的美国国家科学院院刊。这项工作是由美国国家科学基金会(批准号PHY-0848755,ios0-1355061和渴望IOS-1251585)的支持;陆军研究办公室(批准号w911ng-11-1-0385和W911NF-14-1-0431);和人类前沿科学计划(项目批准号。rgp0065 / 2012)。